Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

Das, dem Teilprojekt zu Grunde liegende, Gesamtprojekt gliederte sich in zwei Module: In Modul A (Förderung durch das BMWi, Federführung durch KIT) und Modul B (Förderung durch das BMBF, Federführung durch acatech). Projektpartner im Modul A waren DBE TECHNOLOGY GmbH, die Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit mbH (GRS), das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen zusammen mit dem Forschungszentrum Jülich (FZJ). Modul B wurde vom Zentrum für Interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS) bearbeitet. Die Gesamtkoordination der beidem Module erfolgte durch die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (acatech). Auf Grundlage einer Analyse der wissenschaftlich-technischen Aspekte durch Modul A wurden die gesellschaftlichen Implikationen bewertet und daraus in Modul B Kommunikations- und Handlungsempfehlungen für die zukünftige Positionierung von P&T formuliert. Im, vom HZDR koordinierten, Teilprojekt „Stand der Grundlagen- und technologischen Forschung“ wird eine Übersicht über den genannten Bereich gegeben. Eingeführt wird das Thema mit einer Kurzbeschreibung möglicher Reaktorsysteme für die Transmutation. Danach wird der Entwicklungsstand der Spezialbereiche Trennchemie, Sicherheitstechnologie, Beschleunigertechnologie Flüssigmetalltechnologie, Entwicklung von Spallationstargets, Transmutationsbrennstoffen und Werkstoffkonzepten sowie Konditionierung von Abfällen, beschrieben. Dies wird ergänzt durch Spezifika von Transmutationsanlagen beginnend bei physikalischen Grundlagen und Kerndesigns, über Reaktorphysik von Transmutationsanlagen, Simulationstools und die Entwicklung von Safety Approaches. Im Anschluss wird der Stand existierender Bestrahlungseinrichtungen mit schnellem Spektrum beschrieben. Nachfolgend werden basierend auf dem derzeitigen Stand von F&E die offenen Fragen und Forschungslücken in den einzelnen Teilbereichen – Wiederaufbereitung und Konditionierung, Beschleuniger und Spallationstarget, Reaktor – zusammengestellt und sowohl eine Strategie, als auch ein Fahrplan zur Schließung der Technology Gaps entwickelt. Zusätzlich werden die Hauptbeiträge, des HZDR zur Gesamtstudie beschrieben. Dies sind insbesondere die Beschreibungen der Möglichkeiten und Grenzen von P&T, die Herausforderungen an Bestrahlungseinrichtungen zur Transmutation und deren Effektivität, sowie Sicherheitsmerkmale beschleuniger-getriebener unterkritischer Systeme inclusive grundlegender Störfallbetrachtungen und Sicherheitscharakteristik. / The main project, where this sub project contributed to, has been structured into two modules: module A (funded by the federal ministry of economics, managed by KIT) and module B (funded by the federal ministry of education and research, managed by acatech). Partners in module A were DBE TECHNOLOGY GmbH, the Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit mbH (GRS), the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), the Karlsruher Institute of Technology (KIT) and the Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen, in co-operation with the Forschungszentrum Jülich (FZJ). Modul B has been executed by the Zentrum für Interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS). The overall coordination has been carried out by the Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (acatech). The social implications have been evaluated in module B based on the analysis of the scientific and technological aspects in module A. Recommendations for communication and actions to be taken for the future positioning of P&T have been developed. In the project part, coordinated by HZDR – status of R&D – an overview on the whole topic P&T is given. The topic is opened by a short description of reactor systems possible for transmutation. In the following the R&D status of separation technologies, safety technology, accelerator technology, liquid metal technology, spallation target development, transmutation fuel and structural material development, as well as waste conditioning is described. The topic is completed by the specifics of transmutation systems, the basic physics and core designs, the reactor physics, the simulation tools and the development of Safety Approaches. Additionally, the status of existing irradiation facilities with fast neutron spectrum is described. Based on the current R&D status, the research and technology gaps in the topics: separation and conditioning, accelerator and spallation target, and reactor are characterized and a strategy as well as a roadmap for closing these gaps has been developed. In addition the major contributions of HZDR to the main project are described. The major parts are the description of the potential and the limits of P&T, the requirements and challenges for transmutation systems and the related efficiency, as well as the safety features of accelerator driven subcritical systems including the transient behavior and the safety characteristics.

The radioactivity induced by neutrons in the materials of future fusion devices represents a central topic of safety- and environmental-related investigations. For the design and operation of future fusion devices, like the International Experimental Thermonuclear Reactor ITER or power plants like DEMO, the activation performance of the materials during operation and after shut-down has to be simulated. The European Activation System (EASY), consisting of the inventory code FISPACT and the activation library EAF, is the world wide reference system for these calculations. The activation of the fusion reactor materials, as well as the EASY system have to be tested experimentally. In the present work several samples of materials from the European fusion technology program were irradiated in neutron fields of DT neutron generators at TU Dresden and at Sergiev Posad near Moscow. The radioactivity following irradiation was determined several times during decay by ?×-spectroscopy. The results are analysed with EASY and ratios of the calculated-to-experimental activation (C/E) are determined, to find limits for the experimental validation of EASY. For the future improvement of EASY integral cross sections are obtained from these C/E and discussed in connection with the EAF data, energy differential measurements from the EXFOR System of the International Atomic Energy Agency (IAEA), other energy integral measurements and evaluated data from libraries in the JANIS system of the Nuclear Energy Agency (NEA). The investigated materials of the present work are Tungsten, Yttrium, CuCrZr and Lead. Tungsten is the preferred material for the divertor plates of fusion devices an a constituent of reduced activation structural materials. Yttrium is used in the ODS steels, which are candidate materials for the first wall and blanket structure of. The characteristic feature of ODS steels is to introduce Y2O3 oxide particles into structural materials like EUROFER to improve the high-temperature strength and to maintain superior radiation resistance. CuCrZr alloys are used as a heat sink in the first wall of the blanket and in the divertor. The CuCrZr alloys contain impurities in consequence of the production technology, which can have an influence on the activation performance and thus have to be known accurately. In this work the neutron activation analysis has proved to be an appropriate instrument to measure the amount of some special impurities. Lead acts as a neutron multiplier and coolant in breeding blanket concepts such as the European Test Blanket Modules (TBM) with liquid Pb-17Li. Due to some large discrepancies between the measured activities and those calculated with EASY for tungsten, these cross sections are analysed with recent models of the nuclear reaction mechanisms. The sensitivity of the obtained cross sections with respect to different reaction models and parameters is investigated and limits for new evaluations are obtained with respect to the experimental results. / Die von Neutronen induzierten Aktivitäten in den Materialien zukünftiger Fusionsreaktoren stellen einen zentralen Punkt in der Forschung zur Sicherheit und Umweltverträglichkeit der gesteuerten Kernfusion dar. Für die Konstruktion und den Betrieb von Fusionsreaktoren, wie den Internationalen Thermonuklearen Experimental-Reaktor ITER oder Demonstrationskraftwerke wie DEMO, werden Simulationsrechnungen zum Aktivierungsverhalten der Materialien während des Betriebs und nach Abschalten des Reaktor durchgeführt. Das European Activation System EASY, bestehend aus dem Inventarcode FISPACT und der Datenbibliothek EAF, ist dabei weltweit das Referenzinstrument für derartige Rechnungen. Sowohl das Programmpaket als auch das Aktivierungsverhalten der im Fusionsreaktor verwendeten Materialien müssen experimentell getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zu diesem Zweck Proben von Materialien aus dem europäischen Fusionstechnologieprogramm in Neutronenfeldern der DT-Neutronengeneratoren der TU Dresden, bzw. an SNEG-13 im russischen Sergiev Posad bestrahlt. Die entstehende Radioaktivität wurde im Anschluss an die Bestrahlung zu verschiedenen Abklingzeiten mittels Gammaspektroskopie bestimmt. Die gemessenen Aktivitäten individueller Nuklide werden mit EASY analysiert und die Verhältnisse von gemessener Aktivität zu berechneter (C/E) werden für die einzelnen Aktivitäten bestimmt. Damit werden die Grenzen für die experimentelle Bestätigung der EASY-Berechungen ermittelt. Zur zukünftigen Verbesserung von EASY werden aus den C/E experimentelle Eingruppenwirkungsquerschnitte ermittelt, die im Kontext der EAF-Daten, energiedifferentieller Messungen aus dem EXFOR System der International Atomic Energy Agency (IAEA), vorangegangener energieintegraler Experimente und eingeschätzter Bibliotheksdaten aus dem JANIS System der Nuclear Energy Agency (NEA) diskutiert werden. Bei den untersuchten Materialien handelt es sich um Wolfram, Yttrium, CuCrZr und Blei. Wolfram ist ein bevorzugtes Material für den Divertor des Fusionsreaktors und zudem Bestandteil gering aktivierbarer Strukturmaterialien. Yttrium wird als Zusatz in den so genannten ODS Stählen verwendet, die in der ersten Wand und im Blanket eingesetzt werden. Diese entstehen aus Strukturmaterialien wie dem europäischen EUROFER, die bereits früher auf ihr Aktivierungsverhalten untersucht wurden, durch Hinzufügen von Y2O3-Partikeln, wodurch sie bei höheren Temperaturen und Neutronenflüssen einsetzbar werden. CuCrZr wird als Wärmeleiter in der ersten Wand des Blankets und im Divertor eingesetzt. Als Legierung ist CuCrZr mit technologisch bedingten Verunreinigungen versetzt, die sich auf das Aktivierungsverhalten auswirken können und deshalb genau bekannt sein müssen. Die Neutronenaktivierung hat sich dabei im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls als geeignetes Mittel erwiesen. Blei agiert als Neutronenmultiplikator und Kühlmittel in Brutblanketkonzepten wie dem europäischen Test Blanket Module (TBM) das flüssiges Pb-17Li verwendet. Infolge der deutlichen Diskrepanzen zwischen der experimentellen und der mit EASY berechneten Aktivitäten bei Wolfram wird eine Analyse der Wirkungsquerschnitte mit Hilfe aktueller Modelle zum Mechanismus von Kernreaktionen vorgenommen. Dabei wird die Sensitivität der ermittelten Wirkungsquerschnitte auf verschiedene Reaktionsmodelle und Parameter getestet und ein Rahmen für Neueinschätzungen der Daten unter Berücksichtigung experimenteller Ergebnisse ermittelt.

The radioactivity induced by neutrons in the materials of future fusion devices represents a central topic of safety- and environmental-related investigations. For the design and operation of future fusion devices, like the International Experimental Thermonuclear Reactor ITER or power plants like DEMO, the activation performance of the materials during operation and after shut-down has to be simulated. The European Activation System (EASY), consisting of the inventory code FISPACT and the activation library EAF, is the world wide reference system for these calculations. The activation of the fusion reactor materials, as well as the EASY system have to be tested experimentally. In the present work several samples of materials from the European fusion technology program were irradiated in neutron fields of DT neutron generators at TU Dresden and at Sergiev Posad near Moscow. The radioactivity following irradiation was determined several times during decay by ?×-spectroscopy. The results are analysed with EASY and ratios of the calculated-to-experimental activation (C/E) are determined, to find limits for the experimental validation of EASY. For the future improvement of EASY integral cross sections are obtained from these C/E and discussed in connection with the EAF data, energy differential measurements from the EXFOR System of the International Atomic Energy Agency (IAEA), other energy integral measurements and evaluated data from libraries in the JANIS system of the Nuclear Energy Agency (NEA). The investigated materials of the present work are Tungsten, Yttrium, CuCrZr and Lead. Tungsten is the preferred material for the divertor plates of fusion devices an a constituent of reduced activation structural materials. Yttrium is used in the ODS steels, which are candidate materials for the first wall and blanket structure of. The characteristic feature of ODS steels is to introduce Y2O3 oxide particles into structural materials like EUROFER to improve the high-temperature strength and to maintain superior radiation resistance. CuCrZr alloys are used as a heat sink in the first wall of the blanket and in the divertor. The CuCrZr alloys contain impurities in consequence of the production technology, which can have an influence on the activation performance and thus have to be known accurately. In this work the neutron activation analysis has proved to be an appropriate instrument to measure the amount of some special impurities. Lead acts as a neutron multiplier and coolant in breeding blanket concepts such as the European Test Blanket Modules (TBM) with liquid Pb-17Li. Due to some large discrepancies between the measured activities and those calculated with EASY for tungsten, these cross sections are analysed with recent models of the nuclear reaction mechanisms. The sensitivity of the obtained cross sections with respect to different reaction models and parameters is investigated and limits for new evaluations are obtained with respect to the experimental results. / Die von Neutronen induzierten Aktivitäten in den Materialien zukünftiger Fusionsreaktoren stellen einen zentralen Punkt in der Forschung zur Sicherheit und Umweltverträglichkeit der gesteuerten Kernfusion dar. Für die Konstruktion und den Betrieb von Fusionsreaktoren, wie den Internationalen Thermonuklearen Experimental-Reaktor ITER oder Demonstrationskraftwerke wie DEMO, werden Simulationsrechnungen zum Aktivierungsverhalten der Materialien während des Betriebs und nach Abschalten des Reaktor durchgeführt. Das European Activation System EASY, bestehend aus dem Inventarcode FISPACT und der Datenbibliothek EAF, ist dabei weltweit das Referenzinstrument für derartige Rechnungen. Sowohl das Programmpaket als auch das Aktivierungsverhalten der im Fusionsreaktor verwendeten Materialien müssen experimentell getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zu diesem Zweck Proben von Materialien aus dem europäischen Fusionstechnologieprogramm in Neutronenfeldern der DT-Neutronengeneratoren der TU Dresden, bzw. an SNEG-13 im russischen Sergiev Posad bestrahlt. Die entstehende Radioaktivität wurde im Anschluss an die Bestrahlung zu verschiedenen Abklingzeiten mittels Gammaspektroskopie bestimmt. Die gemessenen Aktivitäten individueller Nuklide werden mit EASY analysiert und die Verhältnisse von gemessener Aktivität zu berechneter (C/E) werden für die einzelnen Aktivitäten bestimmt. Damit werden die Grenzen für die experimentelle Bestätigung der EASY-Berechungen ermittelt. Zur zukünftigen Verbesserung von EASY werden aus den C/E experimentelle Eingruppenwirkungsquerschnitte ermittelt, die im Kontext der EAF-Daten, energiedifferentieller Messungen aus dem EXFOR System der International Atomic Energy Agency (IAEA), vorangegangener energieintegraler Experimente und eingeschätzter Bibliotheksdaten aus dem JANIS System der Nuclear Energy Agency (NEA) diskutiert werden. Bei den untersuchten Materialien handelt es sich um Wolfram, Yttrium, CuCrZr und Blei. Wolfram ist ein bevorzugtes Material für den Divertor des Fusionsreaktors und zudem Bestandteil gering aktivierbarer Strukturmaterialien. Yttrium wird als Zusatz in den so genannten ODS Stählen verwendet, die in der ersten Wand und im Blanket eingesetzt werden. Diese entstehen aus Strukturmaterialien wie dem europäischen EUROFER, die bereits früher auf ihr Aktivierungsverhalten untersucht wurden, durch Hinzufügen von Y2O3-Partikeln, wodurch sie bei höheren Temperaturen und Neutronenflüssen einsetzbar werden. CuCrZr wird als Wärmeleiter in der ersten Wand des Blankets und im Divertor eingesetzt. Als Legierung ist CuCrZr mit technologisch bedingten Verunreinigungen versetzt, die sich auf das Aktivierungsverhalten auswirken können und deshalb genau bekannt sein müssen. Die Neutronenaktivierung hat sich dabei im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls als geeignetes Mittel erwiesen. Blei agiert als Neutronenmultiplikator und Kühlmittel in Brutblanketkonzepten wie dem europäischen Test Blanket Module (TBM) das flüssiges Pb-17Li verwendet. Infolge der deutlichen Diskrepanzen zwischen der experimentellen und der mit EASY berechneten Aktivitäten bei Wolfram wird eine Analyse der Wirkungsquerschnitte mit Hilfe aktueller Modelle zum Mechanismus von Kernreaktionen vorgenommen. Dabei wird die Sensitivität der ermittelten Wirkungsquerschnitte auf verschiedene Reaktionsmodelle und Parameter getestet und ein Rahmen für Neueinschätzungen der Daten unter Berücksichtigung experimenteller Ergebnisse ermittelt.